DE3803581A1 - METHOD FOR PRODUCING 1,2,4-BUTANTRIOL - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING 1,2,4-BUTANTRIOLInfo
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Description
1,2,4-Butantriol ist ein wertvolles Zwischenprodukt mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Da aber nur sehr aufwendige und teure Herstellverfahren für das Triol bekannt geworden sind, bleiben dem Triol die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, die z.B. Glyzerin gefunden hat, versagt. Es wird als Synthesebaustein bei Wirkstoffsynthesen oder zur Herstellung von Nitraten für besondere Explosivstoffe eingesetzt.1,2,4-butanetriol is a valuable intermediate with diverse Possible uses. But since only very complex and expensive Manufacturing processes for which triol has become known remain the triol the wide range of possible uses, e.g. Glycerin has found fails. It is used as a synthesis building block in drug synthesis or Manufacture of nitrates used for special explosives.
Man erhält 1,2,4-Butantriol durch Hydratisierung von Butin-2-diol-1,4 mit Hilfe von Quecksilberkatalysatoren. Aus hygienischen Gründen ist diese Umsetzung für die großtechnische Gewinnung des Triols ungeeignet. Vorteilhafter ist es, wenn man Buten-2-diol-1,4-epoxid nach den Angaben der DE-AS 26 43 400 und der JP-OS 59/70 632, zu 1,2,4-Butantriol hydriert. Das Epoxid wird durch Umsetzung von Butendiol mit Wasserstoffperoxid erhalten. Durch eine nicht sehr selektiv verlaufende Dehydratisierungsreaktion am 1,3-Butandiol entsteht 3-Buten-1-ol. Daraus erhält man durch anschließende Hydroxylierung mit Wasserstoffperoxid am Wolfram-Katalysator in wäßriger Lösung das Triol.1,2,4-butanetriol is obtained by hydrating butin-2-diol-1,4 with Help from mercury catalysts. For hygienic reasons, this is Implementation unsuitable for the large-scale production of the triol. It is more advantageous if butene-2-diol-1,4-epoxide according to the information DE-AS 26 43 400 and JP-OS 59/70 632, hydrogenated to 1,2,4-butanetriol. The epoxy is made by reacting butenediol with hydrogen peroxide receive. A not very selective one Dehydration reaction on 1,3-butanediol produces 3-buten-1-ol. Out of it is obtained by subsequent hydroxylation with hydrogen peroxide on Tungsten catalyst in aqueous solution the triol.
In der US-PS 44 10 744 wird vorgeschlagen, 2,3-Epoxi-1-propanol (Glyzid) einer Hydroformylierungsreaktion zu unterwerfen und das erhaltene Oxo-Produkt katalytisch mit Wasserstoff oder mit Hydriden in 1,2,4-Butan triol zu überführen. Auch diese Synthese benötigt ein verhältnismäßig teures Ausgangsprodukt sowie mehrere Reaktionsschritte. Es wird in der Patentschrift darauf hingewiesen, daß man 1,2,4-Butantriol bisher nur im Labormaßstab durch Hydrierung von Apfelsäure oder deren Ester hergestellt hat. Diese Laboratoriumsmethode wird in JACS 70, (1948), S. 3121 bis 3125 beschrieben. Danach gelingt es, mit der 1,5-fachen Menge an einem Kupferchromit-Katalysator, bezogen auf die Estermenge Apfelsäurediethyl ester mit 50 bis 70% Ausbeute zum 1,2,4-Butantriol zu hydriern. Es wird ausdrücklich darauf hingewisen, daß diese hohe Selektivität bei ausreichend hoher Reaktionsgeschwindigkeit nur mit im Überschuß angewendeten Katalysatoren zu erzielen ist. Bei geringeren Katalysator konzentrationen muß eine höhere Reaktionstemperatur eingehalten werden, was eine entsprechende Selektivitätsverminderung zu Folge hat.US Pat. No. 4,410,744 proposes 2,3-epoxy-1-propanol (glycide) subject to a hydroformylation reaction and the obtained Oxo product catalytically with hydrogen or with hydrides in 1,2,4-butane convict triol. This synthesis also requires a proportionate amount expensive starting product as well as several reaction steps. It will be in the Patent noted that 1,2,4-butanetriol has so far only been used in Laboratory scale produced by hydrogenation of malic acid or its ester Has. This laboratory method is described in JACS 70, (1948), pp. 3121 to 3125 described. Then you can do it with 1.5 times the amount of one Copper chromite catalyst, based on the amount of malic acid diethyl ester to hydrogenate with 1,2 to 70% yield to 1,2,4-butanetriol. It will expressly pointed out that this high selectivity at sufficiently high reaction rate only in excess applied catalysts can be achieved. With a lower catalyst a higher reaction temperature must be maintained, which results in a corresponding reduction in selectivity.
Da Apfelsäure durch Hydratisierung von Maleinsäure leicht hergestellt werden kann, stellte sich die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, 1,2,4-Butantriol auf der Basis von Maleinsäure nicht nur laboratoriumsmäßig, sondern auch in technischem Maßstab herzustellen. Es mußte insbesondere ein Weg gefunden werden, auch mit geringen Katalysator mengen Maleinsäure oder deren Ester ökonomisch vertretbar zu Butantriol zu hydrieren.Because malic acid is easily produced by hydrating maleic acid the task was to develop a process that it not only allows 1,2,4-butanetriol based on maleic acid Laboratory, but also to manufacture on a technical scale. It In particular, a way had to be found, even with a low catalyst Amounts of maleic acid or its esters are economically justifiable to butanetriol hydrogenate.
Es wurde nun gefunden, daß man bei der Herstellung von 1,2,4-Butantriol durch katalytische Hydrierung von Apfelsäureestern an einem Kupfer enthaltenden Katalysator bei höherer Temperatur und höherem Druck besonders vorteilhafte Ergebnisse erhält, wenn man die Apfelsäureester bei Temperaturen von 130 bis 190°C und Wasserstoffpartialdrücken von 100 bis 300 bar an dem fest angeordneten Katalysator unter weitgehender Vermeidung der Ausbildung einer Gasphase vorbeiführt.It has now been found that in the preparation of 1,2,4-butanetriol by catalytic hydrogenation of malic acid esters on a copper containing catalyst at higher temperature and pressure Particularly advantageous results are obtained when adding the malic acid ester Temperatures from 130 to 190 ° C and hydrogen partial pressures from 100 to 300 bar on the fixed catalyst, largely avoided the formation of a gas phase.
Die für die Hydrierung geeigneten Apfelsäureester leiten sich von Alkoholen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen ab. Es können aliphatische oder cycloaliphatische Alkohole für die Esterbildung verwendet werden, wie Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, 2-Ethylhexanol und Cyclohexanol. Bevorzugt sind Alkohole mit verzweigter Kohlenstoffkette. Als am besten geeignete Ausgangsstoffe haben sich der Diisopropylester und insbesondere der Diisobutylester erwiesen.The malic acid esters suitable for the hydrogenation are derived from Alcohols with 1 to 8 carbon atoms. It can be aliphatic or cycloaliphatic alcohols can be used for ester formation, such as Methanol, ethanol, propanol, butanol, 2-ethylhexanol and cyclohexanol. Alcohols with a branched carbon chain are preferred. As the best suitable starting materials have been the diisopropyl ester and in particular the diisobutyl ester proved.
Die Apfelsäureester können in reiner Form oder als verdünnte Lösungen für die Hydrierung verwendet werden. Als Lösungsmittel geeignet sind z.B. offenkettige oder cyclische Ether, wie Diethylether oder Tetrahydrofuran, aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, die z.B. 5 bis 10 C-Atome enthalten können, andere unter den Hydrierbedingungen inerte Lösungsmittel sowie insbesondere Alkohole, wobei man zweckmäßig solche Alkohole als Lösungsmittel einsetzt, die zusammen mit der Apfelsäure für die Veresterung verwendet wurden. Werden für die Hydrierung Lösungen der Apfelsäureester eingesetzt, so beträgt der Lösungsmittelanteil z.B. bis zu 90 Gew.%. Zweckmäßigerweise werden Lösungen mit einem Estergehalt von 20 bis 80, insbesondere 30 bis 70 Gew.%, eingesetzt.The malic acid esters can be used in pure form or as dilute solutions the hydrogenation can be used. Suitable solvents are e.g. open-chain or cyclic ethers, such as diethyl ether or tetrahydrofuran, aliphatic and aromatic hydrocarbons, e.g. 5 to 10 carbon atoms may contain other solvents which are inert under the hydrogenation conditions and in particular alcohols, such alcohols being expediently used as Solvent used together with the malic acid for the Esterification were used. Are the hydrogenation solutions of Malic acid ester used, the solvent content is e.g. up to 90% by weight. Solutions with an ester content of 20 up to 80, in particular 30 to 70% by weight.
Erfindungsgemäß wird die Hydrierung der Apfelsäureester nach der sogenannten Sumpf-Fahrweise ausgeführt. Bei dieser Methode wird der Ausgangsstoff in flüssiger Form oder die Ausgangsstofflösung, z.B. von unten nach oben oder von oben nach unten, an dem im Hydrierreaktor fest angeordneten Katalysator (Katalysatorbett) vorbeigeführt, wobei der Festbettkatalysator im wesentlichen ohne freien Gasraum von Flüssigkeit bedeckt ist.According to the hydrogenation of malic acid after so-called swamp driving style. With this method the Starting material in liquid form or the starting material solution, e.g. from bottom up or top down, on which solid in the hydrogenation reactor arranged catalyst (catalyst bed) passed, the Fixed bed catalyst essentially without a free gas space from liquid is covered.
Man hydriert in Gegenwart von Kupfer enthaltenden Katalysatoren, die für Carbonsäureesterhydrierung gebräuchlich sind. Diese Katalysatoren enthalten meist neben Kupfer Chrom als aktives hydrierend wirkendes Metall, wie die Adkins-Katalysatoren, die Chrom und Kupfer in annähernd äquimolaren Mengen enthalten oder die in der DE-AS 11 59 925 beschriebenen Katalysatoren, in denen der Chromanteil weit zurückgedrängt ist. Die Katalysatoren können neben Kupfer auch noch andere hydriernd wirkende Metalle, wie Eisen, Nickel, Kobalt, Platin, Palladium, Mangan, Molybdän, Wolfram oder Vanadium enthalten, wobei der Gehalt dieser Zusätze im Katalysator zweckmäßig 2 Gew.% nicht überschreiten sollte. Das Kupfer kann auf einem geeigneten Träger, wie Aluminiumoxid, Kieselsäuregel, Bimsstein, Magnesiumsilikat aufgetragen sein oder in geeigneter Weise mit dem Träger zusammen gefällt und nachträglich in die geeignete Form gebracht werden. Ein besonders vorteilhafter und deshalb bevorzugter Katalysator, der neben Kupfer noch Aluminium enthält, wird in der DE-OS 24 45 303 beschrieben.It is hydrogenated in the presence of copper-containing catalysts for Carboxylic acid ester hydrogenation are common. These catalysts usually contain chromium as an active hydrating agent in addition to copper Metal, like the Adkins catalysts, the chromium and copper in approximately contain equimolar amounts or those described in DE-AS 11 59 925 Catalysts in which the chromium content has been pushed back far. The In addition to copper, catalysts can also have other hydrating effects Metals such as iron, nickel, cobalt, platinum, palladium, manganese, molybdenum, Contain tungsten or vanadium, the content of these additives in The catalyst should expediently not exceed 2% by weight. The copper can on a suitable carrier, such as aluminum oxide, silica gel, pumice stone, Magnesium silicate can be applied or in a suitable manner with the carrier felled together and subsequently brought into the appropriate form. A particularly advantageous and therefore preferred catalyst, which besides Copper still contains aluminum is described in DE-OS 24 45 303.
Für die erfindungsgemäße Festbettkatalyse nach der Sumpffahrweise werden die Katalysatoren nach an sich bekannten Methoden zu Festkörpern verformt. Geeignete Formen sind z.B. Kugeln, Tabletten, Ringe oder auch einfache Strangpreßlinge. Diese werden in geeigneten druckfesten Apparaturen als Festbett angeordnet, das während der Hydrierung durch eine geschlossene Flüssigkeitsfront aus Zulauf und Reaktionsprodukt durchflossen wird. Der für die Hydrierung benötigte Wasserstoff ist bei Reaktionstemperatur und Reaktionsdruck in der Flüssigkeit gelöst oder in Form von Mikroblasen suspendiert. Es ist nicht nötig, während der Hydrierung eine aufwendige Wasserstoffkreisgasführung aufrecht zu erhalten. Dadurch gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders wirtschaftlich, da eine Kreisgaspumpe, die bei der an sich bekannten Esterhydrierung verwendet wird, nicht erforderlich ist.For the fixed bed catalysis according to the bottom mode the catalysts are deformed into solids by methods known per se. Suitable forms are e.g. Bullets, tablets, rings or even simple Extrusions. These are used in suitable pressure-resistant equipment Fixed bed arranged during the hydrogenation by a closed Liquid front from the inlet and reaction product is flowed through. The Hydrogen required for the hydrogenation is at the reaction temperature and Reaction pressure dissolved in the liquid or in the form of microbubbles suspended. There is no need for an expensive one during the hydrogenation Maintain hydrogen cycle gas guidance. This creates the method according to the invention is particularly economical since a Circulating gas pump used in the ester hydrogenation known per se is not required.
Man hydriert bei Temperaturen von 130 bis 190°C, vorzugsweise bei 140 bis 160°C unter einem Wasserstoffdruck von 100 bis 350, vorzugsweise 200 bis 300 bar.It is hydrogenated at temperatures from 130 to 190 ° C, preferably at 140 to 160 ° C under a hydrogen pressure of 100 to 350, preferably 200 to 300 bar.
Die für die Hydrierung eingesetzten Flüssigkeiten sollten im wesentlichen säurefrei sein. Enthalten sie dennoch Säuren, so empfiehlt es sich, diese durch Zugabe einer anorganischen Base, wie Natriumhydroxid, Natriumbicarbonat, Natriumcarbonat, Calziumhydroxid oder auch Kaliummethylat zu neutralisieren.The liquids used for the hydrogenation should essentially be acid free. If they still contain acids, it is recommended to use them by adding an inorganic base, such as sodium hydroxide, Sodium bicarbonate, sodium carbonate, calcium hydroxide or also Neutralize potassium methylate.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird bei verhältnismäßig niedriger Reaktionstemperatur eine verhältnismäßig hohe Reaktionsgeschwindigkeit erzielt. Ein weiterer Vorteil ist der, daß man einen hohen Umsatz bei einem vergleichsweise niedrigen Anfall von Nebenprodukten erreicht. Daß man nach dem Verfahren der Erfindung so vorteilhafte Ergebnisse erhält, ist überraschend, weil es anerkannte Lehrmeinung war, für Ester hydrierungen am zweckmäßigsten die Technik der Rieselfahrweise anzuwenden, wie sie z.B. in der DE-AS 11 59 925 (s. Spalte 1, Zeilen 1 bis 6 und Spalte 2, Zeilen 40 bis 49) beschrieben ist. Hydriert man die Apfelsäureester jedoch nach der Rieselfahrweise, so läßt sich die Hydrierung zum 1,2,4-Butantriol nur mit einem so erheblich niedrigeren Durchsatz erreichen, daß diese Arbeitsweise als technisch brauchbare Alternative ausscheidet.By the method according to the invention is relatively low Reaction temperature a relatively high reaction rate achieved. Another advantage is that you have a high turnover a comparatively low level of by-products. That advantageous results are obtained by the process of the invention, is surprising because it was accepted doctrine for esters most conveniently use the trickle technique, as e.g. in DE-AS 11 59 925 (see column 1, lines 1 to 6 and Column 2, lines 40 to 49). If you hydrate them Malic acid esters, however, according to the trickle method, so the Hydrogenation to 1,2,4-butanetriol only with a significantly lower one Throughput achieve that this way of working as technically usable Alternative is eliminated.
Die in dem Beispiel genannten Teile sind Gewichtsteile, sie verhalten sich zu Volumenteilen wie Kilogramm zu Litern.The parts mentioned in the example are parts by weight, they behave to parts by volume like kilograms to liters.
1000 Volumenteile des nach Beispiel 1 der DE-OS 24 45 303 erhältlichen Kupfer und Aluminium enthaltenden Katalysators werden in Form von zylinderförmigen Tabletten von 3 mm Höhe und 3 mm Durchmesser in einen Schachtofen eingefüllt. Die Länge des Schachtofens verhält sich zu seinem Durchmesser wie 28:1. Vor Beginn der Hydrierung wird während des Aufheizens Isobutanol durch den Schachtofen geleitet und Wasserstoff bis zu einem Druck von 10 bar aufgepreßt, um zunächst den Katalysator vorsichtig nur in Gegenwart von reinem Isobutanol zu reduzieren. Dann wird der Wasserstoffdruck langsam von 10 bis 250 bar erhöht. Ab 150°C setzt die Reduktion des Katalysators ein, die sich durch eine merklich exotherme Reaktion anzeigt. Sobald diese abgeklungen ist und das Reduktionswasser im wesentlichen ausgetragen ist, wird die Temperatur auf 160°C erhöht und ein Wasserstoffdruck von 250 bar eingestellt. Der Isobutanol-Zulauf wird nun durch eine 30%ige Lösung von Apfelsäurediisobutylester in Isobutanol ersetzt. Bei 160°C wird der Ofen stündlich mit 900 Volumenteilen der Esterlösung beschickt. Gleichzeitig befinden sich 2000 Volumenteile des Reaktoraustrages unter ständiger Rückführung im Umlauf. Dadurch wird die Reaktionsenthalpie abgeführt und die Reaktortemperatur im wesentlichen isotherm geführt. Während der Hydrierung werden dem Ofen stündlich 50 Normalvolumenteile Wasserstoff entnommen. Man erhält stündlich 900 Teile Reaktionsaustrag folgender Zusammensetzung:1000 parts by volume of the available according to Example 1 of DE-OS 24 45 303 Catalyst containing copper and aluminum are in the form of cylindrical tablets of 3 mm height and 3 mm diameter in one Shaft furnace filled. The length of the shaft furnace is related to his Diameter like 28: 1. Before the start of the hydrogenation Heating isobutanol passed through the shaft furnace and hydrogen up pressed to a pressure of 10 bar to initially the catalyst carefully reduce only in the presence of pure isobutanol. Then it will be the hydrogen pressure slowly increases from 10 to 250 bar. From 150 ° C Reduction of the catalyst, which is characterized by a noticeably exothermic Indicates reaction. As soon as this has subsided and the reduction water in the is essentially carried out, the temperature is raised to 160 ° C and a Hydrogen pressure set at 250 bar. The isobutanol feed is now by a 30% solution of diisobutyl malate in isobutanol replaced. At 160 ° C the furnace is filled with 900 parts by volume every hour Fed ester solution. At the same time there are 2000 parts by volume of the Reactor discharge in circulation with constant return. This will make the Enthalpy of reaction removed and the reactor temperature essentially guided isothermally. During the hydrogenation, the furnace will be hourly 50 normal volumes of hydrogen are removed. You get hourly 900 parts of reaction discharge with the following composition:
86 Gew.-% Isobutanol
2 Gew.-% Butandiol-1,4
0,2 Gew.-% Bersteinsäurediisobutylester
0,5 Gew.-% Butandiol-1,2
1 Gew.-% Apfelsäurediisobutylester
0,2 Gew.-% Apfelsäuremonoisobutylester
10 Gew.-% Butantriol-1,2,486% by weight of isobutanol
2% by weight 1,4-butanediol
0.2% by weight of diisobutyl succinate
0.5% by weight 1,2-butanediol
1% by weight of diisobutyl malate
0.2% by weight of monoisobutyl malic acid
10 wt% 1,2,4-butanetriol
Durch fraktionierte Destillation erhält man aus dem Gemisch im Vakuum farbloses 1,2,4-Butantriol von 99,8%iger Reinheit. Fractional distillation gives the mixture in vacuo colorless 1,2,4-butanetriol of 99.8% purity.
Man erhält das Triol mit einer Ausbeute von 60% d. Th., aber mit etwa verdoppeltem Durchsatz, wenn man für die Hydrierung eine 60 gew.-%ige Lösung von Apfelsäurediisobutylester in Isobutanol verwendet und die Hydrierung bei 170°C durchführt.The triol is obtained with a yield of 60% of theory. Th., But with about doubled throughput if a 60 wt .-% for the hydrogenation Solution of diisobutyl malate in isobutanol used and the Performed hydrogenation at 170 ° C.
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